Превращение элементов - Казаков Борис Игнатьевич - Страница 11

Годом раньше Дальтон предположил, что элементы могут соединяться между собой по правилу кратных отношений. Опираясь на это предположение, позже вошедшее в его атомистическую теорию на правах закона, а также на результаты весового и объёмного анализа различных химических соединений, полученные химиками, начиная с Лавуазье, Дальтон рассчитал относительные атомные веса 14 веществ. За единицу расчета он принял вес атома водорода как самого лёгкого газа.

В 1805 г. в «Записках Манчестерского литературно-философского общества» появляется статья Дальтона с первой в мире таблицей атомных весов.

Ф.Энгельс это событие оценил так: «В химии, особенно благодаря дальтоновскому открытию атомных весов, мы находим порядок, относительную устойчивость однажды достигнутых результатов и систематический, почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области, сравнимый с правильной осадой какой-нибудь крепости».

Атомистика Дальтона была принята не сразу и не всеми. Даже спустя более чем 60 лет после опубликования первых работ Дальтона президент лондонского Химического общества Уильямсон отмечал, «что, с одной стороны, все химики применяют атомную теорию, а с другой — значительное число их смотрит на неё с недоверием, а некоторые — с откровенной неприязнью».

Причина такого отношения к атомистике не только в том, что Дальтон и его последователи делали множество допущений, часто в буквальном смысле подгоняли практические результаты под свои теоретические положения (особенно этим грешил сам Дальтон), но и в том также, что атомистика не оставляла места для первоматерии, переливающейся из одного вещества в другое, как вода из сосуда в сосуд.

Предшествовавшие теории Дальтона атомистические воззрения без особого напряжения уживались с представлением о непрерывной материи и, стало быть, с идеей трансмутации элементов; теперь же идее наносился сокрушительный удар. Раз материя прерывна, если каждый элемент состоит из неделимых далее элементарных кирпичиков (точнее, шариков, окружённых атмосферой из теплорода), то ни о каком превращении их друг в друга не может быть и речи. (Кстати, Дальтон вымел, можно сказать, остатки алхимического мусора, отказавшись от употребления традиционных знаков для изображения веществ).

Однако «почти планомерный натиск на ещё не завоёванные области» сдержать было уже невозможно.

В 1808 г. Ж.Гей-Люссак экспериментальным путём вывел закон, согласно которому при взаимодействии газов объёмы исходных веществ и продукты реакции относятся как простые целые числа. У Дальтона в таком отношении взаимодействуют атомы. Если принять точку зрения Гей-Люссака, то надо отказаться от дальтоновской размерной неодинаковости атомов различных веществ. Если согласиться с Дальтоном, придётся отвергнуть открытый Гей-Люссаком закон.

Дальтон сам признавал, что «его (Гей-Люссака) представление об объёмах аналогично… представлению об атомах», но отказаться от своего неверного постулата не захотел, прекрасно сознавая, что представление об объёмах выведено экспериментально, а представление об атомах вообще и их неодинаковости в частности — всего лишь допущение.

В 1811 г. итальянский физик и химик Амедео Авогадро (1776–1856) предложил формулировку, которая «примиряла» Дальтона с Гей-Люссаком. По Авогадро, в равных объёмах различных газов, находящихся при одинаковых условиях (температуре, давлении), содержится одинаковое число молекул. Из этого вытекало, что относительный вес молекул газообразных веществ можно получить делением плотностей этих веществ. И ещё один очень важный вывод: количество атомов в соединении — число не произвольное, как у Дальтона (Дальтон, исходя из своего ошибочного рассуждения о размерной неодинаковости атомов, считал, например, что вода состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода), а обусловливается объёмными отношениями образующих это соединение элементов (та же вода, например, должна состоять из двух атомов водорода и одного атома кислорода, потому что для образования воды, точнее, водяного пара, как установил Гей-Люссак, необходимы один объём кислорода и два объёма водорода).

Правда, когда Авогадро применил принцип расчёта атомных и молекулярных весов газообразных веществ к металлам, тут он испытал определённую трудность и допустил поэтому много ошибок. Но именно он предположил, что в «твёрдых и жидких телах» постоянство соотношений при соединении атомов в молекулы может не соблюдаться, что и подтвердилось в дальнейшем — уже в XX в.

Огромный вклад в развитие атомно-молекулярной теории внёс шведский химик, блестящий экспериментатор, Якоб Берцелиус (1779–1848). Установив, «что числа Д.Дальтона лишены той точности, которая необходима для практического применения его теории», Берцелиус рассчитал атомные веса 45 элементов и определил состав почти 2000 соединений. За точку отсчёта он взял атомный вес кислорода, приравняв его 100. Некоторые атомные веса, определённые Берцелиусом, дожили до нашего времени — так же, как и принятая им символика, т. е. обозначение химических элементов.

В 1819 г. французские учёные Пьер Дюлонг и Алексис Пти обнаружили, что произведение атомного веса простых тел на их теплоёмкость в твёрдом состоянии — величина почти постоянная. Другими словами, «атомы всех простых тел имеют совершенно одну и ту же теплоёмкость». Это открывало ещё одну возможность определения атомного веса — по экспериментально установленной теплоёмкости элемента. Французский физик А.Реньо в цикле работ, начатых в 1840 г., подтвердил, что закон удельных теплоёмкостей «с пользой может быть применяем при многих научных соображениях».

К середине XIX в. в химии накопилось столько нового материала, возникло столько новых идей и в то же время в ней сохранилось столько старых теоретических представлений, что пора было «остановиться» и разобраться в обширном, сложном и крайне противоречивом хозяйстве. Русский химик-органик А.М.Бутлеров так оценивал сложившуюся ситуацию: «Многочисленность работающих, неусыпная деятельность в лабораториях дают беспрерывно массу новых наблюдений, так что теория не успевает перерабатывать их и остаётся позади фактического развития науки». Правда, эти слова А.М.Бутлерова были сказаны о состоянии органической химии, но их с полным основанием можно отнести и к химии общей. Сами химики испытывали острейшую потребность в уточнении понятий атома и молекулы, поскольку здесь было много путаницы, неясности. Надо было договориться о единых способах и теоретических основах определения атомного и молекулярного весов; найти приемлемое для всех понимание атомного состава молекул — как простых, так и сложных веществ, нельзя было терпеть дальше такое положение, когда чуть ли не каждый химик, придерживавшийся атомно-молекулярной теории, предполагал свой атомный состав одного и того же химического соединения. Вся эта неразбериха, весь этот произвол приводили к тому, что консервативно настроенные учёные (например, У.Уолластон, Л.Гмелин) держались в стороне от атомно-молекулярной теории и отдавали предпочтение добрым старым традициям выражать состав сложных веществ при помощи так называемых химических эквивалентов (принцип, согласно которому элементы соединяются между собой в определённых весовых количествах; одним из первых его предложил еще в 1793 г. И.Б.Рихтер).

Решительную реформу атомно-молекулярной теории произвёл итальянский учёный и революционер (за активное участие в революционных событиях 1848–1849 гг. неаполитанским королевским судом был заочно приговорён к смертной казни) Станислао Канниццаро (1826–1910). Он довёл до конца дело, начатое Марком Антуаном Годэном, Огюстом Лораном и Шарлем Фредериком Жераром по устранению противоречий между атомистическими представлениями Дальтона и молекулярными — Авогадро.

Прежде чем выступить с какими-либо позитивными предложениями, Канниццаро основательно изучил состояние атомно-молекулярной теории и положение в химии. В 1858 г. он опубликовал в основанном Пириа журнале статью «Краткое изложение курса химической философии», в которой обосновал метод Авогадро по определению относительных молекулярных весов и метод нахождения атомных весов металлов по величине атомных теплоёмкостей.